Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор исследований опенки показателей качества офсетной печати при взаимодействии краски с поверхностью запечатываемого материала
1.1 Состояние проблемы и обзор исследований в области взаимодействия печатной краски с запечатываемым материалом
1.2 Подходы к моделированию и оценке показателей качества взаимодействия краски с запечатываемым материалом
1.3 Влияние микрогеометрии поверхности запечатываемого материала на качество воспроизведения элементов изображения
1.4 Анализ современных методов оценки микрогеометрии поверхности бумаги (картона)
1.5 Особенности адгезионного взаимодействия в системе «краска - запечатываемый материал»
1.6 Выводы к главе 1 59
2 Прогнозирование показателей процесса переноса краски на запечатываемый материал в зоне печатного контакта
2.1 Построение имитационной модели переноса краски на запеча 61
тываемый материал в зоне печатного контакта
2.2 Конечно-разностные методы решения переноса краски на запечатываемый материал с учетом деформаций контактирующих поверхностей
2.3 Количественная оценка относительных показателей процесса переноса краски на запечатываемый материал на основе численного моделирования
2.3.1 Алгоритм численного моделирования переноса печатной краски на запечатываемый материал в зоне печатного контакта
2.3.2 Результаты численного моделирования переноса печатной краски на запечатываемый материал
2.4 Качественная оценка переноса печатной краски на запечатываемый материал в зоне печатного контакта на основе графического мо 96
делирования
2.4.1 Алгоритм графического моделирования 96
2.4.2 Результаты графического моделирования переноса печатной краски на запечатываемый материал в зоне печатного контакта
2.5. Прогнозирование количественной оценки относительного показателя «пыление» печатной краски
2.6. Выводы по главе 2 120
3 Моделирование красковосприятия бумаги (картона) с учетом распределения красочного слоя на оттиске
3.1 Результаты исследования распределения красочного слоя на границе раздела печатная краска - бумага методом растровой микроскопии
3.2 Аналитическое представление профиля поверхности бумаги (картона) - компонента печатной системы , -,,
3.3 Разработка математической модели для расчета красковос-приятия бумаги (картона) 3.4 Выводы по главе 3 153
4 Разработка математической модели для расчета адгезионной прочности печатной системы «краска бумага (картон)» 4
4.1 Математическая модель для расчета адгезионной прочности печатной системы «краска - бумага (картон)»
4.2 Моделирование адгезионной прочности красочного слоя оттиска в печатной системе «краска - бумага (картон)» с использованием планирования эксперимента
4.3 Корреляционно-регрессионный анализ взаимосвязи адгезионной прочности красочного слоя оттиска с характеристиками микро 166
геометрии поверхности
4.4 Выводы по главе 4 176
5 Оценка показателей качества печати с учетом микрогеометрии поверхности запечатываемых материалов
5.1 Определение характеристик микрогеометрии поверхности бумаги (картона) бесконтактным методом на профилографе «Micro 178
Measure 3D station»
5.2 Оценка цветового охвата многокрасочной печати с учетом особенностей оптических свойств и микрогеометрии поверхности запечатываемого материала 188
5.3 Оценка точности воспроизведения микроштриховых элементов на оттисках с различными характеристиками микрогеометрии по 901
верхности бумаги (картона) методами электронной микроскопии
5.4 Качественная оценка взаимосвязи между однородностью поверхности бумаги (картона) и качеством оттиска методами электронной микроскопии
5.5 Оценка взаимосвязи показателей качества красочного покрытия (укрывистости) оттиска и микрогеометрии поверхности в печатной сис 218
теме «краска-бумага (картон)»
5.6 Оценка изменения климатических условий на показатели печатных свойств компонента печатной системы - бумаги (картона) 5
5.7 Разработка критерия для выбора режимов печатания и запечатываемого материала 5.8 Выводы по главе 5 234
Заключение 236
Список литературы 241
- Подходы к моделированию и оценке показателей качества взаимодействия краски с запечатываемым материалом
- Количественная оценка относительных показателей процесса переноса краски на запечатываемый материал на основе численного моделирования
- Аналитическое представление профиля поверхности бумаги (картона) - компонента печатной системы
- Оценка цветового охвата многокрасочной печати с учетом особенностей оптических свойств и микрогеометрии поверхности запечатываемого материала
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Точность цветопередачи, графическая и градационная точность и износостойкость печатного изображения, в значительной мере определяют уровень качества различных видов печатной продукции, ее информационную и эксплуатационную функции и непосредственно влияют на конкурентоспособность. Качество продукции в целом формируется и обеспечивается на всех стадиях ее жизненного цикла. Качество офсетной печати оценивается показателями, во многом определяемыми особенностями процессов переноса краски на запечатываемый материал и их взаимодействия. Это делает проблему прогнозирования качества печати чрезвычайно емкой, актуальной, требующей для своего решения разработки высокоинформативных методов, как для оценки показателей переноса краски на запечатываемый материал, так и показателей качества компонентов печатной системы и печатной продукции.
Ныне действующий стандарт (ГОСТ Р 54766-2011 (ISO 12647-2)) регламентирует требования к показателям качества многокрасочной печатной продукции, отпечатанной офсетным способом. Количество видов эталонной бумаги в нем ограничено, что затрудняет оценку качества тиражных оттисков в условиях мелко- и среднесерийного производства.
Постоянное обновление на рынке ассортимента компонентов печатной системы (с опережающим ростом запечатываемых материалов по отношению к печатному оборудованию) и отсутствием данных о характеристиках микрогеометрии поверхности новых материалов не всегда позволяет обеспечить стабильность качества печати.
Степень разработанности темы исследования. Тема исследования является продолжением одного из основных направлений прогнозирования качества – применение методов исследования, моделирующих условия взаимодействия компонентов печатной системы. Несмотря на наличие значительного количества работ зарубежных и отечественных ученых по отдельным аспектам исследования и прогнозирования качества офсетной печати, необходимо отметить несоответствие известных моделей и методов современным требованиям. Известные методы моделирования процесса переноса на запечатываемый материал характеризуются ограниченными функциональными возможностями, приводятся данные с упрощенным принятием половинного расщепления краски с нулевой впитывающей способностью, т.е. условно принято, что красочный слой разделяется пополам. Однозначно не решен вопрос, какая часть краски после ее деления остается в каждом цикле на красконесущей поверхности. Остаются открытым вопрос, какие параметры запечатываемой поверхности определяют деление слоя. Отсутствуют данные о количественной оценке пыле-ния краски и коэффициента, характеризующего долю краски иммобилизованной запечатываемой поверхностью. Количественная оценка выше перечисленных показателей во многом предопределяет качество конечного продукта печати.
Сведения о характеристиках поверхности запечатываемого материала, во многом определяющих не только его взаимодействие с краской, но и потребительские свойства печатной и упаковочной продукции для большинства поставляемых на рынок материалов носят чисто рекламный характер. Отсутствует критерий выбора режимов печатания и материала для печати конкретного вида печатной продукции для обеспечения требуемого качества при заданных характеристиках печатной системы.
Принимая во внимание нерешенные вопросы в существующих теоретических и практических подходах к оценке показателей процессов взаимодействия компонентов печатной системы, можно полагать, что проблема методологии прогнозирования качества офсетной печати с учетом микрогеометрии поверхности запечатываемых материалов имеет важное хозяйственное значение и является актуальной.
В настоящей работе, с учетом влияния различных технологических факторов, указанные проблемы решаются теоретическими и экспериментальными исследованиями.
Диссертация выполнена в соответствии с планом госбюджетных научных исследований Московского государственного университета печати имени Ивана Федорова.
Цель и задачи работы. Цель работы – разработка методологии прогнозирования качества офсетной печати с учетом микрогеометрии поверхности запечатываемых материалов.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, отражающие логику диссертационного исследования:
смоделировать процесс переноса краски на реальную поверхность запечатываемого материала в зоне печатного контакта офсетного печатного аппарата, разработать алгоритм и программное обеспечение для оценки показателей качества процесса переноса и расщепления печатной краски и его визуализации;
на границе раздела «печатная краска – запечатываемый материал» исследовать глубину проникновения краски и распределение составных частей краски в поверхностных и объемных слоях запечатываемого материала; разработать метод количественной оценки его красковос-приятия бумаги (картона) с учетом микрогеометрии поверхности и глубины впитывания краски в поры запечатываемого материала;
разработать метод оценки показателя адгезионной прочности красочного слоя на запечатываемой поверхности с учетом ее микрогеометрии, глубины впитывания в поры и действительной площади контакта;
разработать метод и алгоритм измерений показателей микрогеометрии поверхности запечатываемого материала бесконтактным 3-d принципом; исследовать тесноту взаимосвязи между характеристиками микрогеометрии поверхности запечатываемого материала и показателями качества тиражного оттиска; разработать критерий для выбора режимов
печатания и бумаги (картона) с учетом микрогеометрии поверхности для обеспечения высокого качества печатной продукции.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые получены следующие результаты.
Количественная оценка процесса переноса краски на запечатываемый материал, выраженная относительными показателями: коэффициентом возврата краски, характеризующим относительное количество краски на офсетном цилиндре при выходе из зоны печатного контакта; коэффициентом переноса краски на запечатываемый материал, включающим относительное количество краски, впитавшейся в поры бумаги, и относительное количество краски, иммобилизованной запечатываемой поверхностью; коэффициентом пыления, характеризующим относительное количество печатной краски в виде красочных тяжей, перешедшей в «пыление», дающая возможность прогнозировать качество информационной функции изображения, а также эксплуатационной и защитной функций.
Разработана математическая модель, реализующая метод оценки красковосприятия запечатываемого материала с учетом профиля его поверхности, глубины впитывания и распределения краски в поверхностных и объемных слоях, давления и времени контакта.
Предложен показатель адгезионной прочности красочного слоя на поверхности запечатываемого материала на основе оценки действительной площади печатного контакта, учитывающей реальный профиль поверхности, показатели пористости и режима печатного процесса, характеризующий качество эксплуатационной функции изображения.
Предложен показатель оценки качества покрытия многокрасочного изображения, характеризующий величину потерь передаваемой информации на материале с различной микрогеометрией поверхности.
Для обеспечения высокого качества печати предложен критерий выбора режимов печатания и запечатываемого материала с учетом микрогеометрии поверхности для запатентованного способа подбора компонентов печатной системы.
Практическая значимость работы. Разработанная имитационная модель исследования процесса переноса краски на запечатываемый материал позволяет исключить натурный эксперимент со значительными материальными и энергетическими затратами, включая эксплуатацию производственного оборудования и позволяет прогнозировать не только показатели, определяющие качество оттиска, но и экологическую безопасность производства.
Применение разработанных алгоритмов и программных продуктов с удобными интерфейсами дает возможность оперативно управлять процессом печати в автоматизированном режиме, контролировать показатели качества оттиска на любых запечатываемых материалах и прогнозировать эксплуатационные свойства готовой продукции. Регистрация разработан-
ных программных продуктов произведена в реестре программ для ЭВМ в Федеральной службе интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Информационная база данных характеристик микрогеометрии поверхности исследованного запечатываемого материала (50 видов бумаги, картона) позволит полиграфическим предприятиям осуществлять его рациональный выбор с учетом особенностей технологического процесса многокрасочной офсетной печати и требований ГОСТ Р 54766 (ISO 12647-2).
Применение показателя, характеризующего величину потерь передаваемой информации при переносе краски на запечатываемый материал с различной микрогеометрией поверхности, и разработка метода его измерения позволяют получить количественную оценку качества покрытия многокрасочного изображения.
Результаты работы реализованы на полиграфических предприятиях: ЗАО «Полиграф» (г. Омск) и ОАО «Советская Сибирь» (г. Новосибирск).
Адаптированные методы, отличающиеся последовательностью проводимых операций, типом применяемого индентора и режимными параметрами процесса, позволяют оперативно проводить:
оценку характеристик микрогеометрии поверхности запечатываемого материала - бесконтактной оптической профилометрии;
оценку адгезии красочной пленки и трибологических показателей (прочности красочного покрытия на истирание) на запечатываемом материале. Данные методы могут быть использованы также для оперативного
контроля при производстве бумаги (картона). Внедрены в лаборатории ЦИСМ ТПУ ФТИ (Центр измерения свойств материалов Физико-технический институт Томского политехнического университета, г. Томск).
Разработанные методы исследований использованы в учебном процессе при подготовке специалистов отрасли в условиях Российской Федерации и в диссертационных работах аспирантов, что является важной частью практической реализации выполненной работы.
Методология и методы исследования. Объект исследования - печатная система. Предмет исследования – методология прогнозирования качества офсетной печати, в частности процесса взаимодействия краски с микронеровностями текстуры запечатываемого материала в зоне печатного контакта офсетного способа печати. При решении поставленных задач использовались методы системного анализа, математического моделирования, основные положения теории вероятностей и математической статистики, численные методы, методы электронной микроскопии, бесконтактной профилометрии, скретч-тестирования, трибологических исследо-
ваний, методы структурирования функции качества, современные программные средства обработки информации (MathCAD, Matlab, Maple).
В работе использовалось метрологически калиброванное оборудование и приборы: офсетная печатная машина Speedmaster SM-102; сканирующие электронные микроскопы JSM7500F JEOL, JSM7001+ Х-Мах20, Quanta 200; лазерный сканирующий конфокальный микроскоп KEYENCE VK-9700; спектрофотометры UV-2501 PC SHIMADZU, Gretag Macbeth SpectroEye; профилограф MICRO MEASURE 3D station; установки Micro Scratch Tester CSEM, High Temperature Tribometer CSEM.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методология прогнозирования показателей качества, характеризую
щих процесс переноса краски в офсетной печати на запечатываемый мате
риал с учетом микрогеометрии поверхности, включающая:
имитационную модель процесса переноса краски, построенную на методах конечно-разностной аппроксимации системы уравнений На-вье—Стокса, с учетом характеристик микрогеометрии и деформации контактирующих поверхностей в зоне печатного контакта; впитывания краски в поры запечатываемого материала и режима печатного процесса;
количественную оценку процесса переноса краски, выраженную относительными показателями: Лро - коэффициент возврата краски, равный относительному количеству краски на офсетном цилиндре при выходе из зоны печатного контакта; Лрот — коэффициент переноса краски на запечатываемый материал, включающий относительное количество краски^, впитавшейся в поры бумаги, и относительное количество краски К рп, иммобилизованной запечатываемой поверхностью; ЛрПЫл — относительное количество краски, перешедшей в «пыление».
2. Теоретические и экспериментальные исследования процессов взаи
модействия «краска - запечатываемый материал» с учетом текстуры по
верхности запечатываемого материала и режима печатания, включающие:
меру распределения составных частей красочной системы в поверхностных и объемных слоях запечатываемого материала;
метод оценки и математическую модель красковосприятия бумаги (картона);
математическую модель оценки показателя адгезионной прочности системы «печатная краска - запечатываемый материал».
3. Критерии выбора режима печатания и бумаги (картона) для обеспе
чения качества печати при переносе краски на поверхность запечатывае
мого материала с учетом действительной поверхности контакта при под
боре компонентов печатной системы по запатентованному способу,
включающие:
метод оценки характеристик микрогеометрии поверхности;
критерии выбора режима печатания и запечатываемого материала для обеспечения высокого качества печати.
Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность положений, выводов и результатов обеспечивается корректностью постановки задач, основана на применении методов математического моделирования, математического анализа и численных методов, положительными результатами внедрения методов, алгоритмов и программного обеспечения, а также достаточно широкой публикацией результатов исследований, полученных с применением высокоинформативных методов, в научно-технических и производственно-технических журналах, и х об с уж д е-нии на конференциях.
Публикации. Основные результаты диссертации автором самостоятельно и в соавторстве опубликованы в более 100 научных работах в том числе: 37 статей в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций; 1патент на изобретение; 8 свидетельств о официальной регистрации программы для ЭВМ; монографии – 2 . Общий объём публикаций 46,4 печатных листов, из них авторских 28,0 печатных листов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, опубликованы в печати, в том числе в изданиях, которые индексируются в международной системе научного цитирования: V, VI, VII, VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004, 2007, 2009, 2012); Международной научно-технической конференции «Визуальная культура: дизайн, реклама, полиграфия» (Омск, 2003, 2004, 2006); Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (Омск, 2005); Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania nauki i techniki» (Przemys, 2007); Scientific-Practical Conference «Innovations of publishing, printing and multimedia technologies» (Kaunas, Litva, 2008, 2010, 2013, 2014); включены в программу 35-й м ежд уна род ной к онф ерен ци и IARIGAI 2008 (Spain, 2008); VIII Международной научно-технической конференции «Визуальная культура: дизайн, реклама, информационные технологии» (Омск, 2009); «China Academic Conference on Printing and Packaging» (Beijing, China, 2010); 42-ой Международной научно-технической конференции высших учебных заведений в области технологий полиграфического производства (Москва, 2010); VI Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, Болгария, 2010); Международной научно-практической конференции «Прикладная оптика-2010» (СПб); Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб, 2010); Международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире» (СПб, 2011, 2013); X, XI Международной научно-практической конференции «Качество, стандартизация, контроль: теория и практика» (Ялта-Киев,
2010, 2011); Международной конференции «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика» (Новосибирск, 2011); 1-ой Международной научно-практической конференции "Упаковочная индустрия: современные тенденции развития и подготовка кадров" (Львов, Украина, 2012); International Multidisciplinary Microscopy Congress – INTERM 2013 (Antalya, Turkey, 2013); .
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографического списка, включающего 300 наименований цитированной литературы. Объём диссертации составляет 300 страниц машинописного текста, в том числе 77 рисунков и 31 таблицу.
В приложении приведены результаты исследований, акты внедрения разработок на предприятиях отрасли, алгоритмы программ.
Подходы к моделированию и оценке показателей качества взаимодействия краски с запечатываемым материалом
Значительный вклад в теорию взаимодействия системы «краска — запечатываемый материал» внесли отечественные и зарубежные ученые Б. В. Дерягин, В. Г. Георгиевский, Е. Д. Климова, Л. А. Козаровицкий, К. Корте, Д.М. Фляте, Д.М. Ольшанский, Б.Н. Шахкельдян, Д. Толленаар, А.С. Zettelmoyer, J.M. Fetsko, John MacPhee, C.C. Mill, R. Riedel, R. Ruder, H. Rech, W.C. Walker, H. Koivula, Saybil Nuray Ercan, В. Валенски и др., в области механики печатного контакта с учетом физико-химических закономерностей печатного процесса -Л. К. Белозерский, С. А. Гуляев, В. С. Лапатухин, П. А. Попрядухин, А. Н. Раскин, П. А. Ребиндер, В. И. Ромейков, К. В. Тир, В. П. Тихонов, А. А. Тюрин, Я. И. Чехман и другие ученые.
В области динамических исследований различных узлов печатных машин основополагающими являются исследования Б.И. Климова, В.П. Митрофанова, В.А. Перова, Ю.В. Пономарева, А.Б. Роева, В.Н. Румянцева, П.Н. Силенко и др.
В упрощенном виде перенос краски может быть представлен как повторяющийся сдвиг краски под давлением в зоне печатного контакта с последующим процессом расщепления в результате его разрыва, который в общем случае приводит к неравномерному распределению красочного слоя на поверхности резинотканевого полотна офсетного цилиндра и красковоспринимающей поверхности запечатываемого материала на печатном цилиндре. Количество краски на красковоспринимающей поверхности после расщепления влияет на показатели качества конечного печатного продукта, в частности на оптическую плотность, приращение тона (растискивание), прочность красочного слоя на оттиске, графическую и градационую точность изображения. Основным показателем, характеризующим взаимодействие краски с бумагой (картоном), является коэффициент переноса, величина которого зависит как от условий печатания и свойств запечатываемого материала, так и от геометрии печатной пары. В литературе до сих пор приводятся противочечивые сведения о оценке коэффициентов расщепления и переноса печатной краски либо они отсутствуют.
Условно зону печатного контакта при получении оттиска на офсетной машине разделяют на пять отдельных стадий процесса (рисунок 1.1) [16].
Вход листа бумаги в зону контакта наглядно иллюстрирует первая стадия. Период печатного контакта, в течение которого происходит взаимодействие краски с запечатываемым материалом, характеризуемый такими явлениями, как смачивание и прилипание, заполнение краской неровностей и пор материала под дей ствием давления в зоне контакта, проникновение (впитывание) краски в капилляры материала и расщепление слоя краски, составляет доли секунды.
Согласно [7, 15-18], при входе в зону контакта (вторая стадия) слой краски испытывает напряжение сжатия, а при выходе из нее (третья стадия) - напряжение растяжения, так как скорости протекания отдельных этапов процесса и характер деформаций резко отличны. Знакопеременные напряжения, испытываемые краской, приводят к кавитации (нарушению непрерывности) ее слоя в результате захватывания воздуха краской в месте входа ее в зону контакта и образованию в ней микроскопических пузырьков, вызывающих расщепление слоя.
Расщеплению частиц краски препятствуют относительно прочные когези-онные связи, способствующие ее сдвигу в зоне печатного контакта, в результате чего образуется один большой красочный тяж, при разрыве (пятая стадия) которого наблюдается разбрызгивание частиц краски центробежными силами в виде «пыления» (рисунок 1.2) [17].
Следует заметить, что данная модель наиболее точно имитирует расщепление только идеальной жидкости, при этом не учитывает деформации контактирующих поверхностей.
Угол отрыва между оттиском и резинотканевой пластиной зависит непосредственно от конструкции печатной машины и определяется углом между осями офсетного и печатного цилиндров, усилием натяжения резинотканевого по 22 лотна, свойствами его поверхности и печатной краски; ширина зоны печатного контакта определяется диаметром печатного цилиндра и типом декеля.
Научную и практическую значимость имеют теоретические исследования А.А. Тюрина [18], позволяющие оценить ширину зоны контакта, суммарные нагрузки в печатных аппаратах ротационных машин, деформации цилиндров печатных аппаратов. Площадь контактной зоны определяется произведением ширины полосы контакта Ъ на ее длину /. Ширина полосы контакта при взаимодействии двух цилиндров для частного случая Rt = R2 = R, находится из приближенного равенства Ъ = 2 л/ДА.
Изучение механики течения дисперсных систем показало, что печатная краска обладает переменной вязкостью т\, зависящей от отношения напряжения сдвига т к скорости деформации:
Количественная оценка относительных показателей процесса переноса краски на запечатываемый материал на основе численного моделирования
При проходе печатной краски (жидкости) через полосу контакта часть ее проникает в структуру бумаги (через красковоспринимающую поверхность) за счет впитывания в поры и заполнения микронеровностей поверхностного слоя.
Моделирование этого процесса можно описать с помощью уравнений проницаемости при наличии определенных характеристик пористой среды, таких как коэффициент пористости, средний радиус пор, процентное содержание круглых и продолговатых в сечении пор и т.д. Будем предполагать, что в начальный момент времени t0 = 0 жидкость покоится.
При рассмотрении двухмерного течения в полярной системе координат, связанной с одним из цилиндров, силы поверхностного натяжения жидкости вво 65 дились через динамические условия на свободных границах области распространения жидкости в виде формулы Лапласа с дополнительными выражениями Сп/твсг и Cn/rrcr, где твсг и rrcr - проекции вектора радиуса кривизны поверхности гсг на оси координат (г, в), Сп - коэффициент поверхностного натяжения жидкости [170].
На границах с цилиндрами для учета сил прилипания рассматривается действие поверхностного натяжения при некоторых осредненных радиусах кривизны от шероховатостей твердых поверхностей. В качестве этих сил прилипания введены F01 = &Сп/г1 сг и F02 = f2Cn/r2iCr, где rlcr, r2cr - радиусы кривизны от шероховатости на поверхностях цилиндра 1 (офсетного) и цилиндра 2 (печатного); /1,/2 коэффициенты, зависящие от смачиваемости поверхностей жидкостью и интегральной направленности сил прилипания к нормали поверхности (могут быть существенно меньше единицы).
Поверхностная адгезия будет возникать при условиях, что dP/dn - F01 на поверхности цилиндра 1 и dP/dn - F02 на поверхности цилиндра 2, где п - нормаль к поверхности цилиндра 1 или 2. Здесь значения для F01 и F02 положительны, а значения dP/dn при условии отрыва должны быть отрицательны и по модулю превышать предельные значения сил прилипания. При этих значениях жидкость может отходить от границ с цилиндрами с характеристиками свободной поверхности.
В решении контактных задач можно выделить два направления. Первое -занимается решением задач для макрообъектов без учета шероховатости поверхности контакта. Второе направление, напротив, изучает контактное взаимодействие на микроуровне, но не имеет универсального приложения к макроскопическим объектам.
В данной работе модель строилась с учетом данных микрогеометрии поверхности исследуемых образцов бумаги (картона) и резинотканевого полотна, что является ее отличительной особенностью. Для учета возможных внутренних разделений слоев жидкости с образованием свободной поверхности рассматривался случай с превышением предельных напряжений Tjk жидкости в одном из координатных направлений, выражаемых через компоненты тензора деформации жидкости: при учете, что происходит растяжение жидкости, а не сжатие (давление в этих точках меньше давления в окружающей среде; например, на свободной границе жидкости, где давление принимается равным атмосферному Ратм).
На цилиндре 2 при учете проницаемости краски через красковосприни-мающую поверхность учитывалась скорость впитывания по нормали в виде где zn - текущая глубина проникновения жидкости в красковоспринимающий слой от границы с жидкостью при фильтрации; АР - перепад давления от границы жидкости перед красковоспринимающеи поверхностью до внешней границы фильтрации внутри ее, где давление равно внешнему давлению (атмосферному); гр - радиусы пор; v - кинематическая вязкость жидкости; Ср - концентрация пор в красковоспринимающеи поверхности.
Если рассматривать поры в виде цилиндрических отверстий с радиусами гр, то выражение для средней скорости впитывания жидкости в поры в пересчете на весь объем в красковоспринимающеи поверхности будет отличаться от (2.2) и иметь вид
При построении математической модели сделаны следующие предположения: слой краски на цилиндре вне зоны контакта равномерный, имеет одинаковую толщину и изменяется при прохождении через зону контакта. При постоянной скорости расход краски в единицу времени однозначно определяется толщиной слоя краски. За переменные выбираются толщина слоя краски в зонах контакта, параметры цилиндра и бумаги. fdVr dVy dt dt
При переходе к сопутствующей системе координат (г, в) используются уравнения для относительных компонент скоростей (yr,Vo). Перевод компонент вектора ускорения жидкости в сопутствующую систему координат с угловым ускорением є и угловой скоростью а) без изменения начала координат имеет вид
В точках касания с цилиндрами граничные условия для жидкости при t Є (0, Тк] (здесь Тк - конечное время моделирования, когда происходит окончательное разделение начальной ограниченной области жидкости на две части по расходящимся поверхностям двух цилиндров)::
Учет сил поверхностного натяжения жидкости на свободных границах рассматривается как поверхностная сила, и она для цилиндрической поверхности определяется по одному радиусу кривизны гсг в виде Сп/гсг, где Сп — коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Для области жидкости Q в сопутствующей системе на начальный момент времени t = 0 координаты (г, в) берутся в следующих пределах: г Є [R,R + Ss]; в Є [SL /(2Д)А /(2Д)]. Во всей области Ur(0,rt9) = 0; [/0(O,r,0) = 0, кроме координаты начальной точки соприкосновения с цилиндром 2: (# + Ss, SL /(2Д)), для которой из условий прилипания и непротекания компоненты скорости определяются по формулам:
Аналитическое представление профиля поверхности бумаги (картона) - компонента печатной системы
На основании результатов исследований методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского спектрального анализа, представленных в п. 3.1, установлено, что распределение красочного слоя на оттиске с учетом при этом специфической особенности офсетного способа печатания и распределения давления при прочих равных условиях будет определяться микрогеометрией поверхности бумаги (картона). Как уже было указано ранее (глава 1, п. 1.4), рассмотренные методы оценки показателей шероховатости поверхности либо не могут быть применены для бумаги (картона) ввиду невозможности обеспечения требуемой точности измерений, либо обладают высокой трудоемкостью процесса, и оценки, получаемые таким образом, не всегда адекватны. Более полная и объективная оценка различных показателей, характеризующих шероховатость поверхности бумаги (картона), невозможна без математической модели профиля исследуемой поверхности.
Одним из наиболее существенных факторов, затрудняющих математическое описание шероховатости поверхности бумаги (картона), является ее нерегулярность, проявляющаяся вследствие особенностей способов формообразования поверхностей в процессе изготовления бумаги (картона), технологический процесс которого складывается из нескольких стадий [102]. Перспективными являются попытки теоретико-вероятностных подходов для анализа и описания шероховатости поверхности с помощью теории случайных функций, поскольку в этом случае для полной характеристики шероховатости достаточно располагать лишь одной корреляционной функцией [131]. В этой связи возникает задача, решение которой заключается в разработке аналитического представления профиля поверхности бумаги (картона). Для этого сначала необходимо получить информацию о распределении микронеровностей в пределах некоторой выбранной области.
В работе [210] автор оценивает профиль поверхности с помощью некоторой периодической функции с наложенной на нее случайной составляющей. Данный подход пригоден для поверхностей, имеющих периодическую компоненту профиля, т.е. поверхностей, полученных путем резания или фрезерования. Поэтому данный подход нельзя применить к оценке микрогеометрии поверхности бумаги.
Можно производить оценку шероховатости поверхности путем применения комплексной формы интеграла Фурье, т.е. прямого и обратного преобразования Фурье, предложенного авторами в работах [147,148]. Данный подход дает возможность наиболее точно оценить все виды отклонений поверхности, но имеет высокую степень абстракции и весьма трудоемок. Представление же профиля поверхности как периодической функции для разложения ее в ряд или многочлен Фурье не отразило бы реальных флуктуации профиля.
Практически при выборе типа модели следует, прежде всего, исходить из представления о существе физических процессов, определяющих образование шероховатости поверхности. Это позволяет предположить, что профиль поверхности бумаги (картона), сформированный в ходе технологического процесса ее изготовления на стадии отделки, представляет собой реализацию случайной функции. Высота профиля поверхности образца размером / X / (0 х /, 0 у Г) при фиксированном значении у = с является случайной функцией аргумента х. При фиксированных значениях х (х = х0) случайная функция превращается в случайную величину (высоту профиля поверхности), называемую сечением случайной функции. Реализацией или траекторией случайной функции Z = Z(x) называется неслучайная функция z(x), то есть конкретная линия профиля при у = с (рисунок 3.9).
Так как при фиксированном значении координаты х высота профиля может оказаться различной (заранее непредсказуемой), то для нее существует определенное распределение вероятностей, требующее детального изучения.
Случайная функция представляет собой совокупность всех сечений при различных значениях х Є [О, I], поэтому для ее полного описания необходимо рассматривать совместную функцию распределения ее сечений х1,х2,...,хп\х1 х2 — хп) = P\ \xl) х1 Z\X2J х2 — %К.хп) хп) называемую конечномерным законом распределения случайной функции в точках х1,х2, ...,хп, т.е. рассматривать многомерную случайную величину [ZCx ZCx .-. CxJjpil].
Отличительная особенность подхода к решению поставленной задачи в работе заключается в обоснованном представлении непериодической функции профиля, заданной на отрезке [О, І], в виде многочлена Фурье.
Известно, что статистические характеристики флуктуации можно вычислить по результатам измерения на одном образце. При этом усреднение может производиться не по всей площади образца, а только вдоль линии произвольного направления. Рассмотрим линию профиля как кусочно-монотонную функцию /(х), заданную на отрезке [О, I]. Функция /(х) не является периодической. Покажем, что данную функцию /(х) в точках ее непрерывности можно представить в виде суммы ряда Фурье.
Дополняя определение функции f(x), заданной на отрезке [О, I], произвольным образом на промежуток [—1, 0) (сохраняя кусочно монотонность), мы можем разложить полученную функцию в ряд Фурье. Для этого рассмотрим произвольную периодическую кусочно-монотонную функцию /i(x) с периодом 2[1 21, совпадающую с функцией f(x) на отрезке [0,1].
Согласно теореме Дирихле (о достаточных условиях разложения периодической функции в ряд Фурье), функцию /i(x) можно представить в виде ряда Фурье. Сумма этого ряда во всех точках отрезка [0, /] (кроме точек разрыва пер 137 вого рода) совпадает с заданной функцией /(х), т. е. можно разложить функцию f(x) в ряд Фурье на отрезке [О, I].
В частности, если мы дополним определение данной функции так, чтобы при — / х 0 выполнялось равенство /(х) = /(—х), то в результате получим четную функцию, которая разлагается в ряд Фурье, содержащий только косинусы. Таким образом, заданную на отрезке [0, /] функцию /(х) можно разложить по косинусам.
Если же мы продолжим определение функции /(х) при — / х 0 так: /(х) = — /(—х), то получим нечетную функцию, которая разлагается в ряд Фурье по синусам. Таким образом, если на отрезке [0, /] задана некоторая кусочно-монотонная функция /(х), то ее можно разложить в ряд Фурье как по косинусам, так и по синусам.
Представление функции бесконечным рядом Фурье имеет на практике тот смысл, что конечная сумма, получающаяся при обрывании ряда на п-ом члене, является приближенным выражением разлагаемой функции. Это приближенное выражение можно довести до какой угодно степени точности путем выбора достаточно большого значения п.
Оценка цветового охвата многокрасочной печати с учетом особенностей оптических свойств и микрогеометрии поверхности запечатываемого материала
В этом же диапазоне имеют полосы поглощения два других образца, представленных на рисунке 5.5, однако в них проявляется сильная полоса поглощения при 1400 см"1. На остальных исследуемых образцах полосы поглощения проявляются в диапазоне 950-1100 см"1, что, вероятно, обусловлено технологией обработки поверхностного слоя образцов, структурой и композиционным составом. Полученные результаты свидетельствуют о тесной взаимосвязи оптических свойств запечатываемого материала с объемом цветового охвата. Чем большим окажется цветовой охват печатной системы, тем большим будет диапазон цветов и их оттенков, которые данная система может воспроизвести, и, как следствие этого, тем большие возможности будут для получения качественной цветной репродукции с ее использованием.
На рисунке 5.6 представлена диаграмма а Ь , характеризующая широту цветового охвата печатной системы, включающую один из исследуемых материалов, в диапазоне максимально насыщенных цветов.
Полученные данные свидетельствуют о том, что между структурными, оптическими показателями запечатываемого материала и объемом цветового охвата существует тесная взаимосвязь. Показано, что более низкая степень неравномерности поверхности картона Arktica от - 5,37 до + 1,35, по сравнению со степенью неравномерности поверхности бумаги Luxpack (от - 16,2 до 12,1), свидетельствует о более ровном распределении элементов структуры поверхности бумаги и, как следствие, о высоком коэффициенте диффузного отражения (более 90 %) и более высоком показателе цветового охвата. Напротив, для бумаги Luxpack коэффициент диффузного отражения не превышает 85 % и для нее характерен невысокий показатель объема цветового охвата.
На основании анализа экспериментальных данных можно сделать следующий вывод: микрогеометрия поверхности материала оказывает влияние на колориметрическую точность офсетной листовой печати и на общий диапазон цветов, воспроизводимых в рамках исследуемой печатной системы, что наглядно иллюстрируется проекцией сечения тела плоскостью ЙГ & , отражающей охват максимально насыщенных цветов, воспроизводимых на конкретном материале (рисунки 5.7-5.8).
Получены графические и аналитические интерпретации зависимостей между рассматриваемыми показателями щероховатости поверхности и объемом тела цветового охвата печатной системы, выбранного в качестве показателя качества полиграфического воспроизведения. Графическая интерпретация зависимости объема тела цветового охвата Утцо от показателей шероховатости Ra, Rz и Rq представлена на рисунках 5.9 - 5.11.
Оценка точности воспроизведения микроштриховых элементов на оттисках с различными характеристиками микрогеометрии поверхности бумаги (картона) методами электронной микроскопии Качество печати определяется, с одной стороны, количеством перенесенной печатной краски в процессе контактного взаимодействия и разделения красочного слоя между красконесущеи и красковоспринимающеи поверхностями, а с другой - минимизацией объема ощутимых потерь полезной информации в ходе переноса красочного изображения, различного по своему характеру, структуре образа и несущего определенную смысловую нагрузку.
Тиражные оттиски должны соответствовать подписанным листам и макету не только по цветовому тону, но и размерам элементов изображения: линий и штрихов различной формы и размеров, текста и микроштриховых растровых эле-ментов(графические характеристики и градационные особенности воспроизводимой информации).
В процессе тонового приращения происходит сдвиг контуров растровых элементов, одной из причин этого является относительное перемещение между поверхностями (между офсетным цилиндром и запечатываемым материалом). Другая причина - это повышенное давление между двумя соприкасающимися цилиндрами. На тоновое приращение одновременно могут влиять различные факторы, среди которых выделим вид запечатываемого материала и скорость печати. Тоновое приращение оперативно контролировали, измеряя поля контрольной шкалы с 40- и 80-процентными растровыми точками. Значения оптической плотности и тонового приращения нормируются по ISO 12647-2. Однако в данном стандарте нормируемые значения представлены только для пяти бумаг, взятых за эталон (на практике ассортимент запечатываемых материалов значительно шире). В стандарте нет никаких рекомендаций по нормируемым показателям для печати по картону, не смотря на то, что в производстве многокрасочной упаковочной продукции высококачественные мелованные картоны в настоящее время нашли достаточно широкое применение.
Согласно данным [264], по результатам выполненных исследований FOGRA рекомендует: - при печати на мелованных упаковочных картонах класса G контроль качества может выполняться с использованием показателей, установленных стандартом ISO 12647-2 для матовых мелованных бумаг при измерении на белой подложке (при измерении картонов цвет подложки может быть любым, ввиду их непрозрачности); - значение допуска на отклонение оптической плотности по формату оттиска для всех триадных красок рекомендовать 6%;
В связи с постоянно расширяющимся на рынке ассортиментом бумаги (картона), не утратил своей актуальности вопрос исследования изменения тонового приращения и оптической плотности для различных комбинаций основных компонентов печатной системы. Результаты исследований представлены в таблице
Мелованная матовая 18+3 18+3 18+3 20 +3 12+2 12+2 12+2 13+3 1,45+2 1,4 +2 1,3+2 1,5+2 Для исследований были выбраны несколько видов чистоцеллюлозной мелованной (матовой и глянцевой) и немелованной бумаги, чистоцеллюлозного картона с двух- и трехслойным мелованным покрытием лицевой стороны, отличающиеся между собой показателями впитывающей способности (структурой) и мик 204 рогеометрией поверхности. К входным управляемым параметрам процесса, согласно экспериментальной оценке свойств поверхности материала и парных корреляций между ними и показателем качества воспроизведения полиграфического оттиска, также отнесем скорость печати.
Впитывающая способность зависит от композиционного состава и структурных характеристик бумаги (картона), что подтверждено экспериментально [90, 261-263]. Согласно результатам проведенных исследований, впитывание краски оказывает существенное влияние на величину тонового приращения Р, о чем свидетельствует наличие высокой тесноты взаимосвязи (см. таблицу 5.5).
Изменение скорости печатания с 6 до 8,5 тыс. отт./ч (при печатании на бумаге) не превысило величину тонового приращения выше установленных норм. Средние величины тонового приращения для различных видов мелованной бумаги при триадной печати близки к нормам ISO 126472, для мелованного картона заданной печатной системы при триадной печати этот показатель несколько превышает нормы для мелованной матовой бумаги. Максимальное отклонение значения относительной площади растровых точек было равно 5%. Таким образом, экспериментально показано, что за нормируемую величину тонового приращения можно принимать верхний предел с учетом допуска нормируемой величины по стандарту ISO для матовой мелованной бумаги. Экспериментально подтверждено, что тоновое приращение оказывает непосредственное влияние на цветовоспроизведение, увеличение тонового приращения способствует снижению цветового охвата и контраста печати (рисунок 5.12).
Известно, что четкость печатающих элементов на оттиске зависит от структурных характеристик запечатываемого материала. Воспроизведение тонких штрихов контролировали по элементу контрольной шкалы, на котором расположены группы линий разной толщины: белые линии на черном фоне, которые имитируют воспроизведение мелких растровых пробельных элементов в тенях.
